Università degli studi di Cagliari Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica

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1 Università degli studi di Cagliari Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica Corsi del raggruppamento Automatica (ING-INF/04) per Ingegneria Elettronica Laurea (corsi obbligatori) Analisi dei sistemi (Giua) 6 cr 2 anno I sem Controlli automatici (Sanna) 6 cr 2 anno II sem Laurea specialistica (corsi obbligatori) Automi e reti di Petri (Giua) 5 cr 4 anno I sem Analisi dei sistemi 2 (Usai) 5 cr 4 anno I sem Orientamento Controlli Automatici Automazione industriale (Seatzu) 6 cr 4 anno II sem Gestione della produzione (Seatzu) 3 cr 5 anno I sem Robotica industriale (Bartolini) 6 cr 5 anno II sem Sistemi di supervisione e controllo (Usai) 3 cr 5 anno II sem Ricerca operativa (Zuddas) (*) 6 cr 5 anno I sem (*) Corso del settore MAT/09 Ricerca operativa A scelta Controllo digitale (Usai) 6 cr 4 anno II sem Controllo dei processi in regime di qualità (Salimbeni) 5 cr 5 anno I sem Progetto di impianti automatici (Salimbeni) 3 cr 5 anno II sem

2 Analisi dei sistemi Alessandro GIUA Corsi di Laurea: Ingegneria Elettronica (Università di Cagliari) Crediti: 6 Semestre: I semestre Esame scritto Introduzione (lezioni: 6 ore, esercitazioni: 2 ore) 8 ore Sistema e modello. Analisi e sintesi. Sistemi di controllo a catena aperta e a catena chiusa. Rappresentazione mediante equazioni differenziali e mediante equazioni di stato. Classificazione dei modelli. Studio nel dominio del tempo (lezioni: 12 ore, esercitazioni: 6 ore) 18 ore Sistemi lineari e stazionari con un unico ingresso e un'unica uscita descritti da equazioni differenziali. Modi aperiodici e pseudoperiodici. Risposta libera e risposta forzata. Regimi canonici. Sistemi lineari e stazionari descritti da equazioni di stato. Passaggio da una equazione differenziale ad un'equazione di stato. Spazio di fase. Simulazione analogica di una equazione di stato. La matrice di transizione dello stato e lo sviluppo di Sylvester. Risposta libera e risposta forzata. Trasformazioni di similitudine, invarianza degli autovalori. Diagonalizzazione: autovettori, autovalori e loro significato fisico. La forma di Jordan. Studio nel dominio di s e di w (lezioni: 6 ore, esercitazioni: 4 ore) 10 ore Le trasformate, dirette ed inverse, di Laplace. Trasformazione secondo Laplace delle funzioni razionali. Antitrasformazione: poli e residui. Funzione di trasferimento: poli e zeri. Risposta libera e risposta forzata in s. Matrice di trasferimento; matrice risolvente e passaggio da una equazione di stato alla matrice di trasferimento. Studio di sistemi interconnessi. Proprietà qualitative (lezioni: 6 ore, esercitazioni: 4 ore) 10 ore La stabilità BIBO e la stabilità asintotica. Il criterio di Routh. Controllabilità e osservabilità. Rappresentazione delle funzioni di w (lezioni: 6 ore, esercitazioni: 4 ore) 10 ore Diagramma logaritmico di Bode. Regole per il tracciamento asintotico del diagramma di Bode. Diagramma di Nyquist. Il concetto di risposta armonica. Laboratorio di analisi dei sistemi (laboratorio: 4 ore) 4 ore Il linguaggio MATLAB e il control system toolbox. Simulazione e analisi sul calcolatore. TESTI ADOTTATI A. Giua. Dispense ad uso degli studenti del corso di Analisi dei Sistemi - DIEE - Università di Cagliari, G.P. Usai. Appunti delle lezioni di Analisi dei Sistemi - DIEE - Università di Cagliari. P. Bolzern, R. Scattolini, N. Schiavoni. Fondamenti di controlli automatici - McGraw-Hill, 1998 G. Marro. Controlli Automatici. Ed. Zanichelli, Bologna.

3 Controlli automatici Saverio SANNA Corsi di Laurea: Ingegneria Elettrica, Ingegneria Elettronica, Università di Cagliari Crediti: 6 Settore sc.-discipl.: ING-INF-04 Automatica Il corso intende fornire gli strumenti di base per la progettazione di controllori per sistemi lineari, stazionari, SISO. Sono previste circa 40 ore di lezione in aula e circa 20 ore di esercitazione sia in aula che in laboratorio. La valutazione sarà basata sullo svolgimento delle esercitazioni, su una prova scritta finale, e su un eventuale colloquio orale. Equazioni differenziali. Algebra lineare. Trasformate di Fourier e Laplace. Diagrammi di risposta armonica. Criteri per la valutazione della stabilità di sistemi dinamici rappresentabili medianti equazioni differenziali ordinarie a coefficienti costanti. Struttura di un sistema di controllo (3 ore di lezione e 2 di esercitazione) Struttura di un sistema di controllo. Algebra degli schemi a blocchi. Effetti di carico. della funzione di trasferimento di sistemi interconnessi: formula di Mason. Carta di Nichols. Stabilità dei sistemi in retroazione (6 ore di lezione e 2 di esercitazione) Diagrammi di Nyquist. Criterio di Nyquist per la stabilità dei sistemi in retroazione. Luogo delle radici di un polinomio. Analisi della stabilità dei sistemi in retroazione mediante il luogo delle radici. Specifiche nei sistemi di controllo (7 ore di lezione e 2 di esercitazione) Errore di tracking. Errore a regime rispetto ad ingressi e disturbi canonici. Tipo di un sistema. Specifiche nel transitorio. Legami globali. Relazioni fra caratteristiche a ciclo aperto ed a ciclo chiuso. Funzione di sensibilità ai disturbi. Funzione di sensibilità alle variazioni parametriche. Regolatori industriali (8 ore di lezione e 4 di esercitazione) Regolatore P. Regolatore PI. Regolatore PID. Configurazioni dei regolatori industriali. Taratura dei regolatori industriali. Metodi euristici: Ziegler-Nichols, Cohen-Coon. Metodi analitici: criteri di ottimizzazione parametrica (cenni). Sintesi per tentativi in w (8 ore di lezione e 6 di esercitazione) Diagramma di risposta armonica. Rappresentazione delle specifiche sul transitorio nel dominio della frequenza. Compensazione mediante reti di correzione standard: attenuatrice, anticipatrice, a sella. Utilizzo della carta di Nichols per la sintesi. Realizzazione delle reti di correzione mediante componenti passivi. Realizzazione delle reti di correzione mediante componenti attivi. Realizzazione approssimata mediante regolatori industriali. Correzione equivalente mediante feedback dinamico. Cenni alla sintesi a due gradi di libertà. Sintesi in s (6 ore di lezione e 4 di esercitazione) Rappresentazione delle specifiche sul transitorio nel dominio complesso. Poli dominanti. Cancellazione e pseudocancellazione. Sistemi a fase minima. Effetto delle reti di correzione sul luogo delle radici. Utilizzo del luogo delle radici negativo per la sintesi mediante assegnamento poli. Attuatori elettromeccanici (2 ore di lezione) Modello lineare del motore DC. Controllo d armatura. Controllo di campo. Giovanni MARRO, Controlli Automatici - 4ª ed., Zanichelli, Bologna, 1997, ISBN Paolo BOLZERN, Riccardo SCATTOLINI, Nicola SCHIAVONI,, Fondamenti di Controlli Automatici, McGraw-Hill Libri Italia srl, Milano, 1998, ISBN William J. PALM, MATLAB per l ingegneria, McGraw -Hill Libri Italia srl, Milano, 1999, ISBN

4 Automi e reti di Petri Alessandro GIUA Corsi di Laurea: Ingegneria Elettrica, Ingegneria Elettronica (Università di Cagliari) Crediti: 5 Semestre: I semestre Il corso intende fornire un insieme di strumenti formali per la modellistica, la verifica e il controllo dei sistemi ad eventi discreti logici. Esame orale. Nessuna. Presentazione del corso (4 ore di lezione e 2 ore di esercitazione) Introduzione ai sistemi ad eventi discreti e loro classificazione. Automi e linguaggi (8 ore di lezione e 4 ore di esercitazione) Introduzione alla teoria dei linguaggi formali. Automi finiti deterministici (AFD). Automi finiti non deterministici (AFN). Determinazione di un AFD equivalente ad un dato AFN. Espressioni regolari. Calcolo dell'espressione regolare equivalente ad un dato AFD. Controllo supervisivo (6 ore di lezione, 2 di esercitazione e 2 di laboratorio) Definizione di sistema e proprietà. Operatori su linguaggi e su automi: sincronizzazione, proiezione e composizione concorrente. Supervisore funzione e supervisore sistema. Proprietà del supervisore. Verifica delle proprietà di un supervisore. Specifiche sul linguaggio e sullo stato. Sintesi di supervisori. Reti di Petri (10 ore di lezione, 4 di esercitazione e 2 di laboratorio) Introduzione alle reti posto/transizione (P/T). Dinamica delle reti P/T. Esempi di modellazione. Proprietà delle reti P/T: raggiungibilità, limitatezza e conservatività, ripetitività, reversibilità, vivezza. Albero e grafo di raggiungibilità: costruzione e analisi. Albero e grafo di copertura: costruzione e analisi. Analisi mediante l'equazione di stato e insieme potenzialmente raggiungibile. Matrice di incidenza e invarianti di una rete: algoritmo per il calcolo degli invarianti, analisi mediante invarianti della conservatività, ripetitività e raggiungibilità. Classi di reti di Petri: macchine a stati, grafi marcati e reti a scelta libera. Specifiche sullo spazio di stato di una rete mediante GMEC, controllo mediante posti monitor e sintesi di monitor in presenza di transizioni incontrollabili. Controllo di reti di Petri (4 ore di lezione e 2 di esercitazione) Specifiche sullo spazio di stato di una rete mediante GMEC, controllo mediante posti monitor e sintesi di monitor in presenza di transizioni incontrollabili. TESTI ADOTTATI A. Di Febbraro, A. Giua. Sistemi ad eventi discreti. McGraw-Hill, 2002.

5 Analisi dei sistemi 2 Elio USAI Corsi di Laurea: Ingegneria Elettronica (Università di Cagliari) Crediti: 5 Esame orale Generalità sulla modellistica dei sistemi dinamici. Sistemi S.I.S.O. e sistemi M.I.M.O. Modelli a variabili di stato. Equazioni in forma matriciale e canonica. Modelli i/o e modelli a variabili di stato nel caso lineare. Proprietà strutturali dei sistemi dinamici: controllabilità e osservabilità. Problemi di controllo ottimo (cenni) Stabilità secondo Lyapunov. Sintesi modale. Strumenti software per l analisi e la sintesi dei sistemi di controllo: il MATLAB control toolbox e sue applicazioni. Complementi di fondamenti di automatica: il luogo delle radici e sue applicazioni alla sintesi

6 Automazione Industriale Carla SEATZU Corsi di Laurea: Ingegneria Elettrica, Ingegneria Elettronica, Ingegneria Meccanica (Università di Cagliari) Crediti: 6 Il corso intende fornire le conoscenze di base relative ai modelli ad eventi discreti temporizzati e mostrare come essi possano essere usati per l'analisi delle prestazioni di diversi sistemi di interesse industriale, sia mediante tecniche analitiche sia mediante la simulazione. Esame orale. Nessuna. Presentazione del corso (6 ore di lezione e 2 di esercitazione) Introduzione ai sistemi ad eventi discreti e loro classificazione. I processi produttivi e l'automazione industriale. Elementi di teoria delle code (14 ore di lezione, 4 di esercitazione e 4 ore di laboratorio) Introduzione alla teoria della probabilità. La simulazione ad eventi discreti e i processi semi-markoviani generalizzati. Catene di Markov a tempo discreto e a tempo continuo. I processi di nascita e morte. Teoria delle file d'attesa: relazioni fondamentali. La legge di Little. Reti di code aperte. Reti di code chiuse. Simulazione dei sistemi ad eventi (6 ore di lezione e 4 di laboratorio) I sistemi ad eventi discreti temporizzati. Orologi. Strutture di temporizzazione deterministiche e stocastiche. I Processi Semi-Markoviani Generalizzati e loro simulazione. Controllori a logica programmabile (PLC) (7 ore di lezione e 3 di esercitazione) Struttura hardware. Linguaggio a contatti. Sequential Functional Chart. Int erfaccia utente e connessione in rete. Esempi di applicazioni. Progetto finale TESTI ADOTTATI A. Di Febbraro, A. Giua. Sistemi ad eventi discreti. McGraw-Hill, P. Brandimarte, A. Villa. Gestione della produzione industriale. UTET Libreria, 1995.

7 Gestione della produzione Carla SEATZU Corsi di Laurea: Ingegneria Elettrica, Ingegneria Elettronica (Università di Cagliari) Crediti: 3 Semestre: I semestre Il corso intende fornire le conoscenze di base relativamente ai sistemi di gestione della produzione industriale e delle scorte. Esame orale. Nessuna. Introduzione al problema della gestione della produzione industriale (4 ore di lezione) Esemp i introduttivi. Layout e flusso dei materiali. tecniche di push e pull. Misure di prestazione. Gestione delle scorte per sistemi a domanda indipendente (6 ore di lezione e 2 di esercitazione) Classificazione dei sistemi di gestione delle scorte. Modelli deterministici e determinazione del lotto economico. Modelli probabilistici: politiche fixed quantity e politiche periodic review. Gestione delle scorte per sistemi a domanda dipendente (6 ore di lezione e 2 di esercitazione) Material Requirement Planning., problema del dimensionamento dei lotti, Manufacturing Resource Planning. Approccio Just in Time e implementazione mediante sistema Kanban. La schedulazione di dettaglio (6 ore di lezione, 2 di esercitazione e 2 di laboratorio) I modelli job-shop e flow-shop. Indici di prestazione regolari. Risultati elementari e algoritmi costruttivi per i problemi di scheduling a macchina singola. Complessità computazionale degli algoritmi di scheduling. Tecniche di scheduling euristiche. P. Brandimarte, A. Villa, Gestione della produzione industriale, UTET, 1995.

8 Robotica industriale Giorgio BARTOLINI Corsi di Laurea: Ingegneria Elettrica, Ingegneria Elettronica (Università di Cagliari) Crediti: 6 Lo scopo del corso e di presentare in maniera organica gli aspetti metodologici e tecnologici che costituiscono le basi culturali per un progettista di sistemi di controllo per robot industriali. Si farà riferimento a casi di studio relativamente semplici. La valutazione sarà basata su lo svolgimento di un progetto e su una prova orale finale. Algebra lineare. Analisi matematica. Fisica generale 1. Elementi di automatica. Introduzione (3 ore di lezione) Generalità sull uso dei robot in attività industriali. I comportamenti essenziali. Nomenclatura ed obbiettivi del controllo. Esempi. Cinematica dei robot (13 ore di lezione e 2 di esercitazione) Cinematica. Posizione ed orientamento di un corpo rigido nello spazio. Matrici di rotazione. Angoli di Eulero. Quaternioni. Cinematica diretta ed inversa. Cinematica differenziale. Iacobiano geometrico. Singolarità e ridondanza. Dinamica dei robot (10 ore di lezione e 4 di esercitazione) Formulazione di Lagrange e proprietà notevoli del modello dinamico. Esempi di manipolatori a 2 e 3 gradi di libertà. Formulazione di Lagrange per robot vincolati. Moltiplicatori di Lagrange. Simulazione dinamica (2 ore di lezione e 6 di esercitazione) MATLAB-Simulink e la soluzione di problemi di controllo lineare. Modello di un robot a limitato numero di gradi di libertà e per piccoli spostamenti dalle condizioni di lavoro. Controllo e pianificazione (12 ore di lezione e 4 di esercitazione) Controllo punto-punto. Utilizzo del regolatore PI e metodi di stabilità alla Lyapunov. Cenni di controllo di forza e posizione. Cenni di controllo di robot mobili. Simulazione di sistemi di controllo per robot. L. Sciavicco, B. Siciliano, Robotica industriale-modellistica e controllo di manipolatori (2 ed.), McGraw-Hill Libri Italia, Milano, F.L. Lewis, C.T. Abdallah, D.M. Dawson, Control of robot manipulators, Macmillian, New York, 1993.

9 Sistemi di supervisione e controllo Elio USAI Corsi di Laurea: Ingegneria Elettrica, Ingegneria Elettronica (Università di Cagliari) Crediti: 3 Il corso intende fornire le conoscenze di base relativamente a sistemi di supervisione e controllo di largo utilizzo nelle attività industriali. Verranno descritte le strutture e le funzionalità di base di tali sistemi; nonché alcune metodologie per la integrazione nei processi di automazione. La valutazione sarà basata su lo svolgimento di un lavoro individuale con discussione. Progettazione di controllori per sistemi SISO. Elettrotecnica. Sistemi di controllo e loro rappresentazione (6 ore di lezione e 2 di esercitazione) Strumentazione da camp o: sensori, trasduttori ed attuatori. Controllori. Bus di campo. Sistemi di supervisione. Piramide del controllo. Architettura dei sistemi di supervisione e controllo. Modello ISO/OSI. Nomenclatura internazionale. Schemi P&I. Fogli di specifica. Cenni alla normativa tecnica. Controllori a logica programmabile (PLC) (7 ore di lezione e 3 di esercitazione) Struttura hardware. Linguaggio a contatti. Sequential Functional Chart. Interfaccia utente e connessione in rete. Esempi di applicazioni. Sistemi di controllo distribuito (DCS) (6 ore di lezione e 2 di esercitazione) Struttura hardware. Interfaccia utente. Interfaccia di I/O. Reti dati per l automazione. Ridondanza ed affidabilità. Logiche di programmazione e configurazione. Esempi di applicazioni. Sistemi di supervisione (SCADA) (4 ore di lezione) Funzioni di sistemi di acquisizione dati. Configurazione del sistema. Interfaccia con la rete di campo. Integrazione con i sistemi di controllo. P. Chiacchio, PLC ed automazione industriale, McGraw-Hill Libri Italia, Milano, G.A. Magnani, Tecnologie dei sistemi di controllo, McGraw-Hill Libri Italia, Milano, 2000.

10 Controllo digitale Elio USAI Corsi di Laurea: Ingegneria Elettrica, Ingegneria Elettronica (Università di Cagliari) Crediti: 6 Il corso intende fornire gli strumenti di base per l analisi di sistemi caratterizzati da componenti realizzate via software, nonché quelli per la sintesi di controllori digitali. Sono previste circa 41 ore di lezione in aula e circa 19 ore di esercitazione sia in aula che in laboratorio. La valutazione sarà basata su lo svolgimento di un progetto e su una prova orale finale. Serie. Modi della soluzione di equazioni differenziali lineari, trasformate di Fourier e Laplace, diagrammi di Bode. Risposta armonica. Introduzione (10 ore di lezione e 4 di esercitazione) Equazioni alle differenze. Sommabilità di serie geometriche. Definizione di Z-trasformata. Proprietà della Z- trasformata. Metodi per il calcolo della Z-antitrasformata. Campionamento e teorema di Channon. Fenomeno di Aliasing. Ricostruttori di ordine 0 e 1. Corrispondenza tra piano s e z. Analisi di sistemi a tempo-discreto (7 ore di lezione e 3 di esercitazione) Sequenza ponderatrice. Funzione di trasferimento discreta. Risposta armonica. Algebra degli schemi a blocchi per sistemi a tempo-discreto. Formula di Mason. Z-trasformata modificata. Stabilità di sistemi a tempo-discreto. Criterio di Yuri. Criterio di Routh mediante trasformazione bilineare. Criterio di Nyquist. Luogo delle radici. Sintesi di controllori digitali (18 ore di lezione e 8 di esercitazione) Specifiche nei sistemi di controllo digitali (generalità). Errore a regime e tipo di sistema. Sensibilità alle variazioni parametriche. Specifiche della risposta indiciale. Approssimazione del ricostruttore di ordine 0. Sintesi per discretizzazione (metodo di corrispondenza, metodo della Z-trasformata, metodo delle differenze in avanti ed indietro, metodo della trasformazione bilineare). Sintesi per tentativi nel piano w. Sintesi nel piano z mediante luogo delle radici. Sintesi mediante assegnamento poli-zeri a ciclo chiuso. Regolatori PID. Configurazioni dei regolatori industriali. Taratura dei regolatori industriali. Sintesi polinomiale (6 ore di lezione e 4 di esercitazione) Equazioni diofantine. Approccio polinomiale alla sintesi dei controllori digitali. Sintesi dead-beat. Problema del tracking. C. Bonivento, C. Melchiorri, R. Zanasi, Sistemi di controllo digitale, Società Editrice Esculapio Progetto Leonardo, Bologna, K. Ogata, Discrete-time control systems, Prentice-Hall Int. Editions, Englewood Cliffs, New Jersey, 1995.